Science Bulletin 2023年第1期

Science Bulletin

2023年第1期

This cover image depicts the dual-function mechanism of rapidly reversible calcium ion deintercalation at the positive electrode and preferential adsorption at the negative electrode to form an electrostatic shielding effect, which allows highly reversible deposition/stripping of zinc ions.

An advanced Ca/Zn hybrid battery enabled by the dendrite-free zinc anode and a reversible calcification/decalcification NASICON cathode

耦合无枝晶锌负极和可逆脱嵌钙离子的磷酸钒钠正极实现先进钙锌混合离子电池

赵顺顺, 李传琳, 张习习, 李娜, 王同凯, 李晓娟, 王成刚, 渠广猛, 徐锡金

混合离子电池综合了单一离子电池的优点, 为开发高性能二次电池提供了新的见解. 本文合成了一种有无定形活性碳和还原氧化石墨烯包覆的NASICON型正极材料(NVP@ AC@rGO)用于钙离子的可逆脱嵌, 并组装了一种与锌金属负极和水系混合电解质耦合的Ca/Zn离子混合电池. 这种完美的结合不仅充分发挥了钙离子在NASICON结构中优异的扩散动力学, 而且巧妙利用钙离子的低还原电位, 形成静电屏蔽效应, 从而抑制了锌枝晶的形成. 因此, 该混合电池具有超高的比容量, 出色的倍率性能以及循环稳定性. 这种巧妙的组合平衡了单一多价离子电池的优缺点, 为设计高性能的水性多价离子电池提供了一种新的可行途径.

Science Bulletin, 2023, 68(1): 56-64

EDITROIAL

Message from the Editor-in-Chief: open science to support global sustainable development

主编寄语：开放科学助力全球可持续发展

高福

Science Bulletin, 2023, 68(1): 1

NEWS & VIEWS

Dynamics of open quantum nuclear systems: the case of ⁸B breakup

开放量子核系统的动力学: ⁸B破裂的案例

张焕乔

Science Bulletin, 2023, 68(1): 2-4

Assessment of contaminants associated with gold-standard ancient DNA protocols

苗波, 刘雅琳, 杨若薇, 冯晓恬, 刘峰, 曹鹏, 戴情燕, 平婉菁, 刘逸宸, 付巧妹

Science Bulletin, 2023, 68(1): 5-9

Low-dose interleukin-2 therapy in autoimmune and inflammatory diseases: facts and hopes

自身免疫和炎性疾病的低剂量白介素-2治疗：临床应用和展望

栗占国, 何菁, 苗苗

Science Bulletin, 2023, 68(1): 10-13

Remote orthopedic robotic surgery: make fracture treatment no longer limited by geography

王军强, 李金奇, 王豫, Mehran Armand, 蒋协远

Science Bulletin, 2023, 68(1): 14-17

A triumph of reducing carbon emission by banning open straw burning

禁烧秸秆助力碳减排

王靖宇, 王先锋

Science Bulletin, 2023, 68(1): 18-20

COMMENTARY

Protecting global aquatic resources from the mountains to the sea: growing need for dual nutrient (N and P) input controls along the freshwater-to-marine continuum

从源头到海洋的全球水资源保护: 从淡水到海洋连续体日益增长的氮磷双控需求

Hans W. Paerl, 许海

Science Bulletin, 2023, 68(1): 21-24

PERSPECTIVE

Effects of electrolytes on two-electron ORR single-atom catalysis

单原子催化二电子氧气还原反应的电解液效应

李诗佳, 肖楚倩, 江宏亮, 李宇航, 李春忠

Science Bulletin, 2023, 68(1): 25-28

SHORT COMMUNICATIONS

Physical Sciences

Unprecedented acid-tolerant ultrathin membranes with finely tuned sub-nanopores for energetic-efficient molecular sieving

基于亚纳米孔道微调制备用于高效分子筛分的超薄耐酸膜

杨帆, 张艳秋, 黄军辉, 高岗, 朱嘉琦, 马军, 邵路 

分离膜被广泛应用于分子分离等领域, 但由于膜本身通量与筛分性能之间此消彼长的“trade-off”效应, 传统分离膜的效率受到极大限制. 本文报道了以多酚作为限速的亲核试剂, 与二异氰酸酯进行界面缩合, 制备得到了孔径均匀且选择层厚度仅为10 nm的超薄聚氨酯复合膜, 并通过实验和密度泛函理论(DFT)模拟计算进行了验证. 制备的新型聚氨酯复合纳滤膜在通量提高的同时显著增强了对各种染料和重金属离子的筛分性能, 成功突破了传统聚合物分离膜的“trade-off”瓶颈问题. 此外合成聚氨酯复合膜的高度交联结构使其能够在强酸条件下稳定运行500 h以上, 在环境修复和资源回收利用等领域具有巨大的应用潜力. 

Science Bulletin, 2023, 68(1): 29-33

Earth and Environmental Sciences

SDGSAT-1: the world’s first scientific satellite for sustainable development goals

SDGSAT-1: 全球首颗可持续发展科学卫星

郭华东, 窦长勇, 陈宏宇, 刘建波, 付碧宏, 李晓明, 邹自明, 梁栋

全球首颗可持续发展科学卫星—SDGSAT-1于2021年11月5日成功发射, 由可持续发展大数据国际研究中心(SDG中心)研制并运行. 为满足全球可持续发展目标(SDGs)监测、评估和研究的需要, SDGSAT-1通过热红外、微光和多谱段三个载荷的全天时协同观测, 旨在实现“人类活动痕迹”的精细刻画, 为表征人类活动与自然环境交互作用的SDG指标研究提供支撑, 服务全球SDGs的实现. SDGSAT-1拥有全球首创彩色微光设计, 10 m全色和40 m彩色微光分辨率；可以30 m分辨率探测地表0.2℃的温度变化；2个深蓝波段和1个红边波段设计, 可准确探测不同水体水质变化及植被生长情况. 2022年9月启动了“SDGSAT-1开放科学计划”, 实现卫星数据全球开放共享, 为2030年议程和全球发展倡议实施提供科技支持. 

Science Bulletin, 2023, 68(1): 34-38

Meeting China’s electricity demand with renewable energy over Tibetan Plateau

青藏高原新能源助力中国“碳中和”战略

唐文君, 徐姗, 周旭, 阳坤, 王阳, 秦军, 王海鲲, 李新

作为世界屋脊、亚洲水塔和地球第三极, 青藏高原约占中国国土面积的25%, 而其光伏发电和风电的潜力分别占全国总潜力的45.6%和38.5%左右. 青藏高原巨大的清洁能源资源有望为中国2060年的“碳中和”目标作出重要贡献. 尽管有一些研究尝试评估青藏高原清洁能源潜力, 但由于使用了低精度、粗分辨率的太阳辐射和风速数据, 其评估结果具有较大的不确定性. 本研究利用更高精度和分辨率的太阳辐射和风速数据以及更符合青藏高原实际的生态约束因子, 精细化定量评估了青藏高原光伏发电和风电技术可开发潜力. 研究结果表明: (1) 青藏高原在技术上可实现的光伏发电和风电潜力超过10.4 PW h/a, 可满足中国2030年的总电力消耗, 并可以避免8.75 Gt的CO₂排放; (2) 柴达木盆地适合建立国家清洁能源基地, 每年可产生超过6.6 PW h的清洁电力. 

Science Bulletin, 2023, 68(1): 39-42

A new projection for glacier mass and runoff changes over High Mountain Asia

亚洲高山区冰川质量和融水径流变化预估

赵宏宇, 苏勃, 雷华锦, 张通, 效存德

冰川存储着大量的淡水资源, 其融水对于下游区域农业、生态、社会经济发展具有重要意义. 本研究基于偏差校正的CMIP6数据和集成冰动力学的冰川演化模型(OGGM)预估了21世纪冰川质量损失和融水径流的变化. 研究结果可为依赖冰川融水区域的可持续发展提供数据支撑和决策服务. 本文研究发现: (1) 在SSP245情景下(最接近当前气候变化的预估情景), 21世纪末亚洲高山区冰川质量相比2000年约损失55%±3%. 小冰川对于气候的变化更加敏感, 约20%的小冰川(面积小于0.2 km²)极有可能在21世纪中叶之前消失. (2) 亚洲高山区总冰川融水最有可能在2029~2056之前达到峰值. (3) 亚洲高山区17个主要流域之间总冰川融水量与融水拐点出现的时间存在显著的时空差异, 包含冰动力学的冰川模型预估的融水径流拐点相比之前的研究结果有所提前. 

Science Bulletin, 2023, 68(1): 43-47

Integrating water deficit quantification, rainwater regulation, and precision irrigation for drought resistance

干旱定量评估与精准抗旱技术的深度融合

张宝庆, 吴普特, 赵西宁 

本研究提出了一种包含干旱缺水定量分析、雨水资源化、智能灌溉和水资源科学管理四个模块的干旱评估与应对方案. 通过统筹分析水资源供需平衡关系, 确定干旱事件中的水分亏缺量, 量化雨水资源化和智能灌溉所需用水量; 根据不同干旱成因模式、气候区和地形地貌, 制定具体的旱情应对方案, 形成从理论研究-技术研发-装备构建-科学管理的绿色高效干旱评估与应对的理论框架; 克服了现有研究中干旱评估与抗旱减灾之间脱节的问题, 提出了从“诊断病情(旱情定量评估)”到“科学治疗(抗旱技术研发)”再到预后 “健康监测(水资源科学管理)”的全链条式解决方案.

Science Bulletin, 2023, 68(1): 48-52

No ¹⁸O-depleted mantle source for Archean komatiite

太古宙科马提岩并非来自¹⁸O亏损的地幔源区

王浩, Allan Wilson, 杨进辉, 李秋立, 唐国强, 冯连君, 贾丽辉

氧是地幔中丰度最高的元素, 探究地球早期原始地幔的氧同位素组成对了解硅酸盐地球的起始特征以及后期分异过程极为重要. 太古宙早期的科马提岩多源自地球深部很少受到后期对流扰动的地幔源区, 因此是揭示地球早期地幔属性的绝佳对象. 前人基于激光氟化法对科马提岩中橄榄石的氧同位素分析提出地球早期深部地幔存在一个异常亏损¹⁸O的源区. 本文通过详细的显微结构和微区氧同位素分析揭示所谓异常亏损¹⁸O的特征更可能是激光氟化分析过程中混入次生矿物蛇纹石和磁铁矿的结果. 岩浆成因橄榄石具有与现今地幔橄榄石一致的氧同位素组成. 这表明原始地幔并不存在初始的氧同位素不均一性且该特征自冥古宙以来未发生明显变化. 因此, 地幔中出现富集或亏损¹⁸O的组分可归因于表壳物质再循环, 这对于识别板块构造启动时间以及幔源岩浆成因具有重要意义. 

Science Bulletin, 2023, 68(1): 48-52

ARTICLES

Physical Sciences

Synergistic activation of anionic redox via cosubstitution to construct high-capacity layered oxide cathode materials for sodium-ion batteriesmaterials for sodium-ion batteries

钠电正极材料中阴离子氧化还原的协同激活机制

季昊铖, 季文海, 薛浩宇, 陈国捷, 齐瑞, 黄中垣, 方辉, 褚密海, 刘乐乐, 马哲文, 徐沈阳, 翟景俊, 曾文, Christian Schulz, Deniz Wong, 陈怀灿, 徐菊萍, 殷雯,  潘锋, 肖荫果

作为锂离子电池的潜在替代品, 钠离子电池由于成本、安全性等方面的优势吸引了广泛关注. 但如何进一步提高其正极材料的能量密度仍是挑战, 而通过激活阴离子氧化还原提供额外容量是一种可行的策略. 本文报告了一种高性能锰基氧化物正极材料, Na_0.67Mg_0.1Zn_0.1Mn_0.8O₂(NMZMO). 通过共掺杂策略协同激活阴离子氧化还原, 此材料首圈可以放出~233 mAh g⁻¹ 的超高容量, 明显高于Mg或Zn单掺杂的同类材料. 综合多种光谱技术, 作者证明了更高的容量源于更强的阴离子氧化还原活性. 结合中子全散射以及共振非弹性X射线散射发现, Mg与Zn在高电压下会向面外迁移至四面体位点, 诱导面内重排形成空位团簇, 将氧阴离子以分子O₂的形式困于其中. Mg/Zn共存时, 刺激了彼此更多的向面外迁移, 为形成更多晶内分子O₂提供先决条件. 本文提出了关于阴离子氧化还原的新见解, 并为高容量钠电正极材料的开发提供了理论依据. 

Science Bulletin, 2023, 68(1): 65-76

Topology regulation of nanomedicine for autophagy-augmented ferroptosis and cancer immunotherapy

纳米药物的构型调控用于自噬增强铁死亡和肿瘤免疫治疗

胡睿智, 戴晨, 代新月, 董彩虹, 黄慧, 宋新然, 冯炜, 丁利, 陈雨, 张波

设计合成了一种四足针尖状铁钯纳米颗粒(简称TFPs), 分别通过诱导乳腺癌细胞自噬和巨噬细胞释放促炎因子, 实现在光声成像引导下的乳腺肿瘤细胞铁死亡协同免疫治疗. 首先, 该新型TFPs具有优异的光学吸收和较高的光热转换效率, 是良好的光声成像造影剂. 其次, TFPs具有过氧化物酶/谷胱甘肽氧化酶模拟酶性能, 能原位催化肿瘤区过表达过氧化氢, 产生羟基自由基, 并同时下调胞内谷胱甘肽水平, 协同诱导细胞铁死亡. 此外, 其独特的针状形态可以进一步触发肿瘤细胞自噬, 加快铁蛋白降解, 释放铁离子, 进而增效铁死亡; 同时, 特殊的尖状结构能触发巨噬细胞释放促炎细胞因子, 增效放大免疫效应, 在与PD-L1检查点抑制剂联合使用后, 取得最强的抗肿瘤效果. 这项工作不仅开发了一种高效的铁死亡诱导剂, 也为在纳米尺度调控肿瘤细胞自噬/免疫功能提供了一种全新的策略.

Science Bulletin, 2023, 68(1): 77-94

Life Sciences

Structural insight into the constitutive activity of human orphan receptor GPR12

孤儿受体GPR12自激活机制的结构基础

李昊, 张进一, 喻亚男, 罗峰, 武丽杰, 刘俊林, 陈娜, 刘志杰, 华甜

G蛋白偶联受体12(G protein-coupled receptor 12, GPR12)是G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor, GPCR) class A家族的孤儿受体成员. GPR12在丘脑中高表达, 在丘脑皮层的短期记忆调控中发挥重要作用. GPR12具有高度的自激活能力, 即在没有激动剂激活的情况下可以结合下游的G蛋白Gs, 使细胞内的第二信使cAMP水平上升. 然而, 目前关于GPR12自激活机制的分子基础以及内源性配体等都还不清楚. 本研究报道了GPR12-Gs复合物的高分辨率单颗粒冷冻电镜结构, 结合细胞水平突变实验, 揭示了GPR12具有高水平自激活能力的分子机制. 结构分析显示受体的胞外第二个环(extracellular loop 2, ECL2)指向正构配体结合口袋, 跨膜螺旋TM1和TM7的胞外部分紧密互作, 以及TM6和TM7上具有与GPR12激活相关的关键氨基酸. 这些结构特征使得GPR12能够在没有激动剂作用下, 受体处于激活构象状态, 招募下游G蛋白进行信号传递. 本研究将为靶向GPR12的内源性配体发现及相关药物分子设计提供重要的结构基础. 

Science Bulletin, 2023, 68(1): 95-104

Earth and Environmental Sciences

Pushing the boundary of seasonal prediction with the lever of varying annual cycles

以变化的年循环为杠杆突破季节预测极限

马洁茹, 孙杰, 吴召华, 黄建平, 许小峰, 邓毅, 蔡鸣

该文以变化的年循环为杠杆尝试突破季节预测的极限, 即从变化的年循环角度开发和验证一种全新的季节预测的方法, 探索和推动季节预测的极限边界. 该方案具有超越当前现有的动力和统计模型的预测能力, 能够至少提前6个月连续且无缝隙地预测多省洪涝和干旱水文极端事件. 研究结果表明, 新方案能以更早的提前期无缝且连续地预测气候变量异常时空演变, 有助于将季节预测的边界推向新的范式, 为研究界和业务预报中短期气候预测瓶颈问题的突破提供了重要的科学依据.

Science Bulletin, 2023, 68(1): 95-116

END

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